JP2004354399A - Ultrasonic probe system - Google Patents

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JP2004354399A JP2004274840A JP2004274840A JP2004354399A JP 2004354399 A JP2004354399 A JP 2004354399A JP 2004274840 A JP2004274840 A JP 2004274840A JP 2004274840 A JP2004274840 A JP 2004274840A JP 2004354399 A JP2004354399 A JP 2004354399A
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Kageyoshi Katakura
景義 片倉
Bunro Kawaguchi
文朗 川口
Kazuhiro Moriguchi
和弘 森口
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cheaper sophisticated ultrasonic probe system which enables high-precision positional detection, using a small number of receiving elements. <P>SOLUTION: This ultrasonic probe system is provided with transmitting sections(CNT, TX, TD1, TD2) which contains transmitting elements(TD1, TD2) to transmit supersonic waves, a receiving section which has a plurality of receiving elements(TD1, TD2) receiving reflected waves from this transmitted supersonic wave object, to obtain two or more reception signals(a1, a2), azimuth detectors(M1, M2, LPF1, LPF2, ARG, DP) which detect azimuth of the object from phase differences among the azimuth functions, defined by shape/arrangement of the receiving elements and the reception signals(a1, a2) of these receiving elements, and an indicator sections(ADD, ABS, DP, DIS) which detect and display the position of the object, from both the detected azimuth and the signal propagation duration. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は超音波探査装置に関するものであり、特に、魚群の位置を精度良く探査できる超音波探査装置に関するもである。   The present invention relates to an ultrasonic exploration apparatus, and more particularly to an ultrasonic exploration apparatus that can accurately detect the position of a school of fish.

魚群の位置を探査するために、魚群探知機などと称される超音波探査装置が使用されてきた。従来の魚群探知機は、これを搭載している船舶の下方の水中に超音波を放射し、魚群などの物体によって発生した反射波を受信し、この受信反射波の物体までの往復の伝播所要時間からこの反射物体までの距離を算定するように構成されている。   In order to search for the position of a school of fish, an ultrasonic search device called a fish finder has been used. A conventional fish finder emits ultrasonic waves into the water below the vessel on which it is mounted, receives reflected waves generated by objects such as schools of fish, and propagates the received reflected waves back and forth to the object. It is configured to calculate a distance from the time to the reflecting object.

従来、実際に使用されてきた魚群探知機は、方位分解能を有しないため、検出した反射物体を、船舶の直下などの超音波の送信方向に存在するものとして処理している。   Conventionally, since a fish finder actually used has no azimuth resolution, a detected reflection object is processed as if it exists in an ultrasonic wave transmission direction such as immediately below a ship.

魚群などの反射物体の方向を検出するには、電波の分野で実用されているフェーズドアレイアンテナの原理を適用すればよい。すなわち、複数の超音波受信素子をx方向やy方向あるいはx,y両方向に配列しておき、各超音波受信素子で受信された受信反射信号の位相差を検出し、この位相差から反射波を発生させた反射物体の方位角を検出すればよい。   To detect the direction of a reflecting object such as a school of fish, the principle of a phased array antenna used in the field of radio waves may be applied. That is, a plurality of ultrasonic receiving elements are arranged in the x direction, the y direction, or both the x and y directions, and the phase difference between the received reflected signals received by each ultrasonic receiving element is detected. What is necessary is just to detect the azimuth angle of the reflecting object that has generated.

このようなフェーズド・アレイアンテナの構成では、反射波をビームの中心に想定した1本の直線で近似するという、幾何光学と同様の解析方法を採用している。このため、受信素子の寸法が超音波の波長に比べて無視できない程度に大きくなると、測定誤差が増大するという問題がある。この測定誤差は受信素子の個数を増加させ、空間的な平均化を行うことによりある程度低減できる。しかしながら、このように測定精度を高めるために受信素子の個数を増加させると製造費用が高くなるという問題がある。   The configuration of such a phased array antenna employs an analysis method similar to geometric optics, in which the reflected wave is approximated by a single straight line assumed at the center of the beam. For this reason, when the size of the receiving element becomes too large to be ignored compared to the wavelength of the ultrasonic wave, there is a problem that a measurement error increases. This measurement error can be reduced to some extent by increasing the number of receiving elements and performing spatial averaging. However, if the number of receiving elements is increased in order to increase the measurement accuracy in this way, there is a problem that manufacturing costs increase.

従って、本発明の一つの目的は、少ない受信素子数のもとで高い測定精度を確保できる安価な超音波探査装置を提供することにある。本発明の他の目的は、表示画面から魚群などの反射物体の三次元的な位置を容易に把握できる超音波探査装置を提供することにある。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide an inexpensive ultrasonic probe that can ensure high measurement accuracy with a small number of receiving elements. Another object of the present invention is to provide an ultrasonic search device that can easily grasp the three-dimensional position of a reflective object such as a school of fish from a display screen.

上記従来技術の課題を解決する本発明の超音波探査装置は、送信素子を有し超音波を送信する送信部と、前記送信された超音波の物体からの反射波を受信する複数の受信素子を有し複数の受信信号を得る受信部と、前記複数の受信素子の形状及び配置によって定まる方位関数とこれら複数の受信素子の受信信号の位相差とから前記物体の方位を検出する方位検出部と、この検出された方位及び信号の伝播所要時間とから前記物体の位置を検出して表示する表示部とを備えている。   An ultrasonic probe according to the present invention that solves the above-mentioned problems of the related art includes a transmitting unit that has a transmitting element and transmits ultrasonic waves, and a plurality of receiving elements that receive reflected waves of the transmitted ultrasonic waves from an object. A receiving unit that obtains a plurality of received signals, and an azimuth detecting unit that detects an azimuth of the object from an azimuth function determined by shapes and arrangements of the plurality of receiving elements and a phase difference between the received signals of the plurality of receiving elements. And a display unit for detecting and displaying the position of the object based on the detected direction and the required signal propagation time.

本発明の超音波探査装置は、物理光学的な原理を利用して反射物体の方位を検出する構成であるから、少ない受信素子数のもとで高い測定精度の方位検出が可能になり、安価で高精度の探査装置を提供できるという効果が奏される。   Since the ultrasonic probe of the present invention is configured to detect the orientation of the reflecting object using the principle of physical optics, it is possible to detect the orientation with high measurement accuracy with a small number of receiving elements, and to reduce the cost. Therefore, an effect that a high-precision exploration device can be provided is achieved.

本発明の好適な実施の形態によれば、上記送信素子の指向性は上記複数の受信素子のそれぞれの指向性よりも狭く設定され、その好適な具体例によれば、送信素子の口径は複数の受信素子のそれぞれの口径よりも大きな値に設定される。そのための一つの好適な具体例によれば、送信素子は複数の受信素子を並列接続することにより構成される。   According to a preferred embodiment of the present invention, the directivity of the transmitting element is set to be narrower than the directivity of each of the plurality of receiving elements. Are set to values larger than the respective apertures of the receiving elements. According to one preferred embodiment therefor, the transmitting element is constituted by connecting a plurality of receiving elements in parallel.

本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、上記方位検出部は、複数の受信素子の受信信号の位相差を検出する際に、受信信号のそれぞれに共通の参照信号を乗算したのち高域成分を除去することにより受信信号の位相角を含む位相角信号を発生させる処理を行うように構成されている。そして、そのための好適な一つの具体例によれば、方向検出部は複数の位相角信号の複素共役積を算定し、その偏角を複数の受信信号の位相差として検出する処理を行うように構成されている。   According to still another preferred embodiment of the present invention, the azimuth detecting unit multiplies each of the received signals by a common reference signal when detecting a phase difference between the received signals of the plurality of receiving elements. It is configured to perform processing for generating a phase angle signal including the phase angle of the received signal by removing the high frequency component. Then, according to a preferred specific example for that, the direction detection unit calculates a complex conjugate product of the plurality of phase angle signals, and performs a process of detecting the argument as a phase difference between the plurality of reception signals. It is configured.

本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、上記表示部は、複数の受信信号又は複数の位相角信号を合成することによりAモード信号を作成し表示する手段を備えている。また、複数の受信素子は三角形、半円形又は4分の1円形の形状を有している。また、これら複数の受信素子は、順次2倍の幅が与えられる四角形や、2個の受信素子や、直交二次元方向に配列された4個の受信素子から構成されている。   According to still another preferred embodiment of the present invention, the display unit includes means for generating and displaying an A-mode signal by combining a plurality of reception signals or a plurality of phase angle signals. The plurality of receiving elements have a triangular, semicircular, or quarter circular shape. In addition, the plurality of receiving elements are configured by a quadrangle, which is sequentially given a double width, two receiving elements, and four receiving elements arranged in an orthogonal two-dimensional direction.

本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、この超音波探査装置は船舶に搭載されると共に、送信部は超音波をほぼ鉛直下方の水中に送信するように構成されている。そして、上記表示部はこの船舶の船首方向に直交する面内の映像を表示したり、この船舶の船首方向に直交する方向と経過時間とを二つの次元とする平面内に反射物体の映像を表示したり、この船舶の船首方向を含む面内とこの船首方向に直交する面内のそれぞれに反射物体の映像を表示したり、さらには、この船舶の船首方向とこの船首方向に直交する方向を二つの次元とする一定の深度の水平面内に反射物体の映像を表示するように構成されている。   According to still another preferred embodiment of the present invention, the ultrasonic search device is mounted on a ship, and the transmitting unit is configured to transmit ultrasonic waves into water substantially vertically below. The display unit displays an image in a plane orthogonal to the bow direction of the ship, or displays an image of the reflective object in a plane having a direction orthogonal to the bow direction of the ship and elapsed time in two dimensions. To display, or to display an image of a reflective object in each of a plane including the bow direction of this ship and a plane orthogonal to the bow direction, and further, a direction orthogonal to the bow direction of the ship and the bow direction It is configured to display an image of a reflecting object in a horizontal plane at a certain depth having two dimensions.

本発明の更に好適な実施の形態によれば、上記表示部は、上記異なる面内の反射物体の映像を同一の表示画面を分割して同時に、又は隣接する複数の表示画面上に同時に表示するように構成されている。   According to a further preferred embodiment of the present invention, the display unit displays the images of the reflecting objects in the different planes simultaneously on the same display screen by dividing the same display screen or simultaneously on a plurality of adjacent display screens. It is configured as follows.

〔作用〕
本発明の実施例を説明する前に、まず、位相差に基づく方位計測方法の基本原理を図3を参照しながら説明する。(A)に示すように、超音波送信素子TTから超音波を送信する。物体Qで発生した反射信号を、
0(t)=2A0 cos( ωt+φo )
=A0〔exp(j(ωt+φo ))+ exp(-j(ωt+φo ))〕・・・(1)
とする。
[Action]
Before describing the embodiment of the present invention, first, the basic principle of the azimuth measuring method based on the phase difference will be described with reference to FIG. As shown in (A), an ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic transmission element TT. The reflected signal generated by the object Q is
a 0 (t) = 2A 0 cos (ωt + φo)
= A 0 [exp (j (ωt + φo)) + exp (-j (ωt + φo))] (1)
And

開口位置xにおける入射信号aox(t) は、超音波の伝播速度をcとすれば、
0x(t) =a0( t+x sin θ/c )
=2A0 cos( ωt+kx sinθ+φo )
=A0〔 exp( j(ωt+kx sinθ+φo ))
+exp( -j(ωt+kx sinθ+φo ))〕 ・・・ (2)
k=2π/λ,λ:超音波の波長 ・・・ (3)
となる。
The incident signal aox (t) at the aperture position x is given by:
a 0 x (t) = a 0 (t + x sin θ / c)
= 2A 0 cos (ωt + kx sinθ + φo)
= A 0 [exp (j (ωt + kx sinθ + φo))
+ Exp (-j (ωt + kx sinθ + φo)))] (2)
k = 2π / λ, λ: wavelength of ultrasonic wave (3)
It becomes.

上記入射信号a0x(t) を受ける超音波受信素子TD1,TD2は、それぞれ受信信号a1 (t) とa2 (t) を出力する。ここで、2個の受信素子TD1,TD2の開口の形状を図3(B)に示すようなものとすれば、この開口の形状のx軸への投影w(x) を開口形状と称するものとすれば、これは図3(C)に示すようになる。この開口形状w(x) を図3(D)に示すように、受信素子TD1,TD2のそれぞれに対応するw1(x)とw2(x)とに分解する。 The ultrasonic receiving elements TD1 and TD2 receiving the incident signal a 0 x (t) output the received signals a 1 (t) and a 2 (t), respectively. Here, assuming that the shape of the opening of the two receiving elements TD1 and TD2 is as shown in FIG. 3B, the projection w (x) of this opening shape on the x-axis is called the opening shape. If so, this is as shown in FIG. This opening shape w (x) is decomposed into w 1 (x) and w 2 (x) corresponding to the receiving elements TD1 and TD2, respectively, as shown in FIG.

上述のよう開口形状を定義すると、受信信号a1 (t) とa2 (t) は次のように与えられる。
1(t)=∫w1(x)・a0x(t) dx
=A0・exp(j(ωt+φ0)) ∫w1(x)・exp(jKx)dx
+A0・exp( -j(ωt+φ0)) ∫w1(x)・exp( -jKx)dx
=A0・exp(j(ωt+φ0)) W1(K)
+A0・exp( -j(ωt+φ0)) W1 * (k)
=A0・exp(j(ωt+φ0)) B1・exp( jφ1(k))
+A0・exp( -j(ωt+φ0)) B1・exp(-jφ1(k))
=2A0B1 〔exp(j(ωt+φ1)+exp( -j(ωt+φ1)〕
=2A0B1 cos(ωt+φ1 ) ・・・(4)
φ1 =φ0 +φ1(k) ・・・(5)
When the aperture shape is defined as described above, the received signals a 1 (t) and a 2 (t) are given as follows.
a 1 (t) = ∫w 1 (x) · a 0 x (t) dx
= A 0 · exp (j (ωt + φ 0 )) ∫w 1 (x) · exp (jKx) dx
+ A 0 · exp (-j (ωt + φ 0 )) ∫w 1 (x) · exp (-jKx) dx
= A 0・ exp (j (ωt + φ 0 )) W 1 (K)
+ A 0 · exp (-j (ωt + φ 0 )) W 1 * (k)
= A 0・ exp (j (ωt + φ 0 )) B 1・ exp (jφ 1 (k))
+ A 0 · exp (-j (ωt + φ 0 )) B 1 · exp (-jφ 1 (k))
= 2A 0 B 1 [exp (j (ωt + φ 1 ) + exp (-j (ωt + φ 1 )]]
= 2A 0 B 1 cos (ωt + φ 1 ) (4)
φ 1 = φ 0 + φ 1 (k) ・ ・ ・ (5)

2(t)=∫w2(x)・a0x(t) dx
=A0・exp(j(ωt+φ0)) ∫w2(x)・exp(jKx)dx
+A0・exp( -j(ωt+φ0)) ∫w2(x)・exp( -jKx)dx
=A0・exp(j(ωt+φ0)) W2 (K)
+A0・exp( -j(ωt+φ0)) W2 * (K)
=A0・exp(j(ωt+φ0)) B2・exp( jφ2(k))
+A0・exp( -j(ωt+φ0)) B2・exp(-jφ2(k))
=2A0B2 〔exp(j(ωt+φ2)+exp( -j(ωt+φ2)〕
=2A0B2・cos(ωt+φ2 ) ・・・(6)
φ2 =φ0 +φ2(k) ・・・(7)
a 2 (t) = ∫w 2 (x) · a 0 x (t) dx
= A 0 · exp (j (ωt + φ 0 )) ∫w 2 (x) · exp (jKx) dx
+ A 0 · exp (-j (ωt + φ 0 )) ∫w 2 (x) · exp (-jKx) dx
= A 0・ exp (j (ωt + φ 0 )) W 2 (K)
+ A 0 · exp (-j (ωt + φ 0 )) W 2 * (K)
= A 0・ exp (j (ωt + φ 0 )) B 2・ exp (jφ 2 (k))
+ A 0 · exp (-j (ωt + φ 0 )) B 2 · exp (-jφ 2 (k))
= 2A 0 B 2 [exp (j (ωt + φ 2 ) + exp (-j (ωt + φ 2 )])
= 2A 0 B 2 · cos (ωt + φ 2 ) (6)
φ 2 = φ 0 + φ 2 (k) ・ ・ ・ (7)

ただし、記号∫は−無限大から+無限大までのx軸に沿う積分である。また、W1(K) とW2(K) はそれぞれ形状係数w1(x)とw2(x)のフーリエ変換で、W1 * (K),W2 * (K)はそれぞれW1(K) とW2(K) の複素共役数である。さらに、
K= k・sin θ ・・・(8)
である。
Here, the symbol ∫ is an integral along the x axis from −infinity to + infinity. W 1 (K) and W 2 (K) are Fourier transforms of the shape coefficients w 1 (x) and w 2 (x), respectively, and W 1 * (K) and W 2 * (K) are W 1 * (K), respectively. Is the complex conjugate of (K) and W 2 (K). further,
K = k · sin θ ・ ・ ・ (8)
It is.

上記二つの受信信号a1 (t) とa2 (t) の位相差Δφは K(= k・sin θ)の関数であり、これをΘ( K )とする。この位相差Θ( K )は+ω成分についても−ω成分についても共に、
Δφ=Θ( K )
=φ2(k)−φ1(k)
=Arg[W2 (K)]−Arg[W1 (K)] ・・・(9)
である。この Kの関数としての位相差Θ( K )を位相差関数と呼ぶ。この位相差関数Θ( K )は開口形状wのみで定まる。
The phase difference Δφ between the two received signals a 1 (t) and a 2 (t) is a function of K (= k · sin θ), which is Θ (K). This phase difference Θ (K) is obtained for both the + ω component and the −ω component.
Δφ = Θ (K)
= Φ 2 (k) -φ 1 (k)
= Arg [W 2 (K) ] - Arg [W 1 (K)] ··· (9)
It is. This phase difference Θ (K) as a function of K is called a phase difference function. This phase difference function Θ (K) is determined only by the aperture shape w.

上記Δφを与える式は、これが±π以内であるとすれば、K について解析的あるいは数値的に解くことが可能であり、
K (=k sinθ)=Φ(Δφ) ・・・(10)
と表すことができる。
The equation giving Δφ can be solved analytically or numerically for K, provided that this is within ± π,
K (= k sin θ) = Φ (Δφ) (10)
It can be expressed as.

この関数Φ(Δφ)は、任意の形状の開口を有する二つの受信素子に対し、それぞれの受信信号の位相差Δφと、反射波を生じさせた物体の方位角θとの関係を与える。このΦ(Δφ)を方位関数と呼ぶ。この方位関数Φ(Δφ)は、θに対して適宜な値を設定した状態で、(4)式、(6)式の値を算定することによって求められる。   The function Φ (Δφ) gives the relationship between the phase difference Δφ of each received signal and the azimuth θ of the object that has generated the reflected wave to two receiving elements having an aperture of an arbitrary shape. This Φ (Δφ) is called an azimuth function. The azimuth function Φ (Δφ) can be obtained by calculating the values of Expressions (4) and (6) with an appropriate value set for θ.

位相差関数Θ( K ) が開口の形状wのみよって定まることから、この方位関数Φ(Δφ)も開口の形状wのみによって定まる。従って、方位関数Φ(Δφ)は既知である。このため,実測した位相差Δφと既知の方位関数Φ(Δφ)から、物体の方位角θが、
θ= sin-1〔Φ(Δφ)/ K 〕 ・・・(11)
として与えられる。
Since the phase difference function Θ (K) is determined only by the shape w of the aperture, this azimuth function Φ (Δφ) is also determined only by the shape w of the aperture. Therefore, the azimuth function Φ (Δφ) is known. Therefore, based on the actually measured phase difference Δφ and the known azimuth function Φ (Δφ),
θ = sin -1 [Φ (Δφ) / K] (11)
Given as

上述のような位相関数と方位関数の実例を、開口形状が図4の(A)に示す矩形の場合について示す。矩形状の開口の場合、形状係数w1(x)とw2(x)は、図4の(B)に示すようになる。従って、位相角φ1(k),φ2(k)に関係する項は、
B1・exp( jφ1(k))
=W1(K)
=A0・exp(j(ωt+φo)) ∫w1(x)・exp(jKx)dx
=〔1−exp (-jKμ) 〕/(jK)
=exp( -jKμ/2 )〔 exp( jKμ/2 )−exp( -jKμ/2 )〕/(jK)
=(2/K) sin( Kμ/2 )・exp( -jKμ/2 ) ・・・(12)
となる。従って、位相角φ1(k)は、次式で与えられる。
φ1(k)=-Kμ/2 ・・・(13)
An actual example of the phase function and the azimuth function as described above is shown for a case where the aperture shape is a rectangle shown in FIG. In the case of a rectangular opening, the shape coefficients w 1 (x) and w 2 (x) are as shown in FIG. Therefore, terms related to the phase angles φ 1 (k) and φ 2 (k) are
B 1 · exp (jφ 1 ( k))
= W 1 (K)
= A 0 · exp (j (ωt + φo)) ∫w 1 (x) · exp (jKx) dx
= [1-exp (-jKμ)] / (jK)
= Exp (-jKμ / 2) [exp (jKμ / 2) -exp (-jKμ / 2)] / (jK)
= (2 / K) sin (Kμ / 2) ・ exp (-jKμ / 2) ・ ・ ・ (12)
It becomes. Therefore, the phase angle φ 1 (k) is given by the following equation.
φ 1 (k) =-Kμ / 2 ・ ・ ・ (13)

同様にして、
B2・exp( jφ2(k))
=W2(K)
=A0・exp(j(ωt+φ0)) ∫w2(x)・exp(jKx)dx
=〔exp(jKμ) −1〕/(jK)
=exp(jKμ/2 )〔 exp( jKμ/2 )−exp( -jKμ/2 )〕/(jK)
=(2/K) sin( Kμ/2 )・exp(jKμ/2 ) ・・・(14)
となる。従って、位相角φ1(k)は、次式で与えられる。
φ2(k)= Kμ/2 ・・・(15)
Similarly,
B 2・ exp (jφ 2 (k))
= W 2 (K)
= A 0 · exp (j (ωt + φ 0 )) ∫w 2 (x) · exp (jKx) dx
= [Exp (jKμ) -1] / (jK)
= Exp (jKμ / 2) [exp (jKμ / 2) -exp (-jKμ / 2)] / (jK)
= (2 / K) sin (Kμ / 2) ・ exp (jKμ / 2) ・ ・ ・ (14)
It becomes. Therefore, the phase angle φ 1 (k) is given by the following equation.
φ 2 (k) = Kμ / 2 ・ ・ ・ (15)

従って、図4の場合の位相差関数Θ( K )は、
Δφ=φ2(k)−φ1(k)=Θ( K )= Kμ= kμ sinθ ・・・(16)
となる。この関係から矩形開口の場合の方位関数ΦR ( Δφ)は、
ΦR ( Δφ)=K =k sin θ=Δφ /μ (17)
となる。従って、この方位関数から、反射波を生じさせた物体の方位角θが、
θ= sin -1 〔Φ (Δφ)/ k 〕
= sin -1 ( Δφ / kμ) ・・・(18)
と算定される。
Therefore, the phase difference function Θ (K) in the case of FIG.
Δφ = φ 2 (k) -φ 1 (k) = Θ (K) = Kμ = kμ sinθ ··· (16)
It becomes. From this relationship, the azimuth function Φ R (Δφ) for a rectangular aperture is
Φ R (Δφ) = K = k sin θ = Δφ / μ (17)
It becomes. Therefore, from this azimuth function, the azimuth θ of the object that caused the reflected wave is
θ = sin -1 [Φ (Δφ) / k]
= Sin -1 (Δφ / kμ) ・ ・ ・ (18)
Is calculated.

図1は、本発明の一実施例の超音波探査装置の構成を示すブロック図であり、CNTは制御部、TXは送信部、TD1,TD2は送受信兼用の素子 (超音波トランスジューサ) 、BL1,BL2は送信信号阻止部、AMP1,AMP2は増幅部、M1,M2はキャリア乗算部、CGNはキャリア発生部、LPF1,LPF2は低域通過濾波部、ARG位相角算定部、ADDは信号加算部、ABSは絶対値算定部、DPはディジタル・プロセッサ、DISは表示部である。   FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention. CNT is a control unit, TX is a transmission unit, TD1 and TD2 are both transmitting and receiving elements (ultrasonic transducers), BL1 and BL1. BL2 is a transmission signal blocking section, AMP1 and AMP2 are amplification sections, M1 and M2 are carrier multiplication sections, CGN is a carrier generation section, LPF1 and LPF2 are low-pass filtering sections, ARG phase angle calculation sections, and ADD is a signal addition section. ABS is an absolute value calculation unit, DP is a digital processor, and DIS is a display unit.

制御部CNTから出力される起動指令に従って、送信部TXが送信電気信号を出力する。この送波電気信号は、キャリア発生部CGNから供給される数十kHz の超音波帯の一定周波数の正弦波のキャリア(搬送波)をパルス信号で振幅変調することによって作成されるバースト状の信号である。以下、このような信号をトーンバースト信号とも呼ぶ。このトーンバースト信号は、送受信兼用の超音波トランスジューサTD1とTD2とに供給され、各トランスジューサを同時に駆動する。   The transmitting unit TX outputs a transmission electric signal in accordance with a start command output from the control unit CNT. This transmitted electric signal is a burst-like signal created by amplitude-modulating a sine wave carrier (carrier) of a constant frequency in the ultrasonic band of several tens of kHz supplied from the carrier generation unit CGN with a pulse signal. is there. Hereinafter, such a signal is also referred to as a tone burst signal. The tone burst signal is supplied to the transmission / reception ultrasonic transducers TD1 and TD2, and simultaneously drives the transducers.

超音波トランスジューサTD1とTD2は、それぞれが、図5に示すように、口径(横幅)μの矩形状の同一の開口形状を有し、隣接して配置されている。隣接して配置される同一形状の2個のトランスジューサが同時に駆動されることにより、口径が2μの大口径の単一のトランスジューサが駆動されたと同様の結果となる。すなわち、この大口径のトランスジューサから狭いビーム幅BN の超音波ビームが放射される。 As shown in FIG. 5, each of the ultrasonic transducers TD1 and TD2 has the same rectangular opening shape with a diameter (width) μ and is arranged adjacent to each other. Simultaneously driving two adjacently located transducers of the same shape has the same effect as driving a single large diameter transducer with a diameter of 2μ. That is, an ultrasonic beam having a narrow beam width B N is emitted from the large-diameter transducer.

図5に例示するように、魚体などの反射物体Qによって反射波が発生する。この反射波は、超音波トランスジューサTD1とTD2のそれぞれに個別に受信される。送受信兼用の超音波トランスジューサTD1とTD2は、受信動作の場合には、小口径のトランスジューサとして単独で使用される。このため、各トランスジューサは、大口径の送信動作の場合に比べると、小口径に対応した広い指向性Bwを有するように動作する。   As illustrated in FIG. 5, a reflected wave is generated by a reflecting object Q such as a fish. This reflected wave is individually received by each of the ultrasonic transducers TD1 and TD2. The transmitting / receiving ultrasonic transducers TD1 and TD2 are used alone as small-diameter transducers in the case of the receiving operation. For this reason, each transducer operates so as to have a wide directivity Bw corresponding to a small diameter as compared with the case of a large diameter transmission operation.

トランスジューサTD1とTD2のそれぞれに受信された反射波は、それぞれにおいて電気信号に変換されたのち、大振幅の送信信号のみを選択的に阻止する図1の送信信号阻止部BL1,BL2を通過して増幅部AMP1,AMP2に入力し、増幅済みの受信信号a1 ,a2 となる。 The reflected wave received by each of the transducers TD1 and TD2 is converted into an electric signal in each, and then passes through the transmission signal blocking units BL1 and BL2 in FIG. 1 that selectively blocks only a large amplitude transmission signal. The signals are input to the amplifiers AMP1 and AMP2, and become amplified received signals a 1 and a 2 .

この実施例では、図4に例示した場合と同様に、超音波トランスジューサの形状が同一であるため、前述の(4) 式と(6) 式において、B1=B2 が成立する。2A0B1を Aとおけば、
1(t)=A 〔exp(j(ωt+φ1)+ exp(-j(ωt+φ1)〕 ・・・(19)
2(t)=A 〔exp(j(ωt+φ2)+ exp(-j(ωt+φ2)〕 ・・・(20)
In this embodiment, as in the case illustrated in FIG. 4, since the shape of the ultrasonic transducer is the same, B1 = B2 holds in the above-described equations (4) and (6). If 2A 0 B 1 is A,
a 1 (t) = A [exp (j (ωt + φ 1 ) + exp (−j (ωt + φ 1 ))] (19)
a 2 (t) = A [exp (j (ωt + φ 2 ) + exp (−j (ωt + φ 2 ))] (20)

増幅部APM1とAMP2とから出力される受信信号a1(t)とa2(t)は、乗算部M1,M2において、キャリア発生部CGNから供給される参照信号(キャリア)と乗算される。この参照信号dを、
d=exp(-jωt) ・・・(21)
とする。
The received signals a 1 (t) and a 2 (t) output from the amplifiers APM1 and AMP2 are multiplied by the reference signals (carriers) supplied from the carrier generator CGN in the multipliers M1 and M2. This reference signal d is
d = exp (-jωt) (21)
And

乗算部M1,M2から出力される信号b1,b2は
b1 =a1(t)×exp(-jωt)
=A 〔exp( jφ1)+ exp(-j( 2ω−φ1)) 〕 ・・・(22)
b2 =a2(t)×exp(-jωt)
=A 〔exp( jφ2)+ exp(-j( 2ω−φ2)) 〕 ・・・(23)
The signals b1 and b2 output from the multipliers M1 and M2 are
b 1 = a 1 (t) × exp (-jωt)
= A [exp (jφ 1) + exp ( -j (2ω-φ 1)) ] (22)
b 2 = a 2 (t) × exp (-jωt)
= A [exp (jφ 2) + exp ( -j (2ω-φ 2)) ] ... (23)

(22) 式,(23) 式で与えられる信号b1,b2 を低域通過濾波部LPF1,LPF2を通して得られる信号c1 ,c2 は、(22)式,(23) 式の第2項の高次の周波数2ωが除去される。すなわち、
1 =A exp( jφ1) ・・・(24)
2 =A exp( jφ2) ・・・(25)
となる。
The signals c 1 and c 2 obtained by passing the signals b 1 and b 2 given by the equations (22) and (23) through the low-pass filtering sections LPF1 and LPF2 are the second signals of the equations (22) and (23). The higher order frequency 2ω of the term is removed. That is,
c 1 = A exp (jφ 1 ) (24)
c 2 = A exp (jφ 2 ) (25)
It becomes.

位相角算定部ARGは、まず、前段の低域通過濾波部LPF1,LPF2から出力された信号c1 ,c2 の複素共役積を算定し、その偏角gを算定する。すなわち、
g=Arg〔c1 2 *
=φ1(K)−φ2(K)
=Δφ
となり、位相差Δφが求まる。
First, the phase angle calculation unit ARG calculates the complex conjugate product of the signals c 1 and c 2 output from the low-pass filtering units LPF 1 and LPF 2 at the preceding stage, and calculates the argument g. That is,
g = Arg [c 1 c 2 * ]
= Φ 1 (K) -φ 2 (K)
= Δφ
And the phase difference Δφ is obtained.

ディジタル・プロセッサDPは、上記位相角算定部ARGで算定された位相角Δφと、矩形開口の方位関数ΦR ( Δφ)=Δφ/μとから、反射物体の方位角θが、(18)式に従って、
θ= sin -1 ( Δφ / kμ)
を算定する。
From the phase angle Δφ calculated by the phase angle calculation unit ARG and the azimuth function Φ R (Δφ) = Δφ / μ of the rectangular aperture, the digital processor DP calculates the azimuth angle θ of the reflecting object into the equation (18). According to
θ = sin -1 (Δφ / kμ)
Is calculated.

一方、図1において、低域通過濾波部LPF1,LPF2から出力された信号c1 ,c2 は、加算部ADDにおいて加算される。加算結果hは、
h=c1 +c2 =A 〔exp( jφ1)+exp( jφ2)〕 ・・・(26)
となる。
On the other hand, in FIG. 1, the signals c 1 and c 2 output from the low-pass filtering sections LPF1 and LPF2 are added in an adding section ADD. The addition result h is
h = c 1 + c 2 = A [exp (jφ 1 ) + exp (jφ 2 )] (26)
It becomes.

この加算結果から、次段の絶対値算定部ABSにおいて、絶対値sが算定される。すなわち、
s=ABS[h]
=A ・ABS[exp( jφ1)+exp( jφ2)]
=2A cos〔( φ1 −φ2)〕
が得られる。
From this addition result, the absolute value s is calculated in the next-stage absolute value calculating unit ABS. That is,
s = ABS [h]
= A · ABS [exp (jφ 1 ) + exp (jφ 2 )]
= 2A cos [(φ 12)]
Is obtained.

ここで、上述した送波動作の場合と同様に、2個の超音波トランスジューサTD1,TD2を並列接続して単一の大口径の受波素子を構成し、この受波素子を用いて反射波を受信する場合を想定する。この場合の受信信号をuとすれば、これは、上述した受信信号a1(t)とa2(t)の和で与えられる。 Here, as in the case of the above-described wave transmitting operation, two ultrasonic transducers TD1 and TD2 are connected in parallel to form a single large-diameter receiving element, and a reflected wave is formed using this receiving element. Is assumed to be received. Assuming that the received signal in this case is u, this is given by the sum of the above-mentioned received signals a 1 (t) and a 2 (t).

すなわち、
u=a1(t)+a2(t)
=2A cos (ωt+φ1)+2A cos (ωt+φ2)
=4A cos〔 (φ1 −φ2)/ 2 〕・cos 〔(2ωt+φ1 +φ2)/ 2 〕
=2s cos〔(2ωt+φ1 +φ2)/ 2 〕 ・・・(27)
の関係を得る。
That is,
u = a 1 (t) + a 2 (t)
= 2A cos (ωt + φ 1 ) + 2A cos (ωt + φ 2 )
= 4A cos [(φ 12) / 2] · cos [(2ωt + φ 1 + φ 2 ) / 2 ]
= 2s cos [(2ωt + φ 1 + φ 2 ) / 2 ]... (27)
Get the relationship.

この(27)式は、絶対値算定部ABSから出力されるsが、トランスジューサの対TD1,TD2を並列接続して大口径受信した場合に得られる受信信号uの包絡線に他ならないことを示している。従って、この絶対値sをAモード信号として使用できる。   Equation (27) shows that s output from the absolute value calculating unit ABS is nothing but the envelope of the received signal u obtained when the large-diameter reception is performed by connecting the transducer pairs TD1 and TD2 in parallel. ing. Therefore, this absolute value s can be used as an A-mode signal.

ディジタル・プロセッサDPは、絶対値算定部ABSから供給されたAモード信号の出現時点と、制御部CNTから通知された送信時点との時間差から反射物体までの距離Rを算定する。ディジタル・プロセッサDPは、位相角算定部ARGから受け取った位相角gから算定した反射物体の方位角θと、上記算定した反射物体までの距離Rとに基づき、表示装置DISに表示させる画面を作成し、これを表示装置に転送する。   The digital processor DP calculates the distance R to the reflecting object from the time difference between the present time of the A-mode signal supplied from the absolute value calculating unit ABS and the transmission time notified from the control unit CNT. The digital processor DP creates a screen to be displayed on the display device DIS based on the azimuth θ of the reflecting object calculated from the phase angle g received from the phase angle calculating unit ARG and the calculated distance R to the reflecting object. Then, this is transferred to the display device.

上記実施例の超音波探査装置を海中の魚群の探査に利用する際に表示する表示画面の例を図6を参照しながら説明する。表示画面(C)は、この探査装置を搭載している船舶の進行方向にz軸を設定し、この探査装置を含む箇所をz軸に垂直な面で切断して示すx−y断面図である。海中の深度方向(鉛直下方)にy軸が設定され、船体の舷側方向にx軸が設定されている。この船舶は一定の速度でz軸方向に航行しているものとする。海中のb1は単体又は群状の魚体であり、b4は海底である。   An example of a display screen displayed when the ultrasonic search device of the above embodiment is used for searching for a school of fish in the sea will be described with reference to FIG. The display screen (C) is an xy cross-sectional view in which the z-axis is set in the traveling direction of the ship on which the search device is mounted, and a portion including the search device is cut along a plane perpendicular to the z-axis. is there. The y-axis is set in the depth direction (vertically below) in the sea, and the x-axis is set in the side of the hull. This ship is assumed to be sailing at a constant speed in the z-axis direction. B1 in the sea is a single or a group of fish, and b4 is a seabed.

図6の表示画面(A)は、汎用の魚探画面と同様の表示画面であり、縦軸が海中の深さ(y軸)を示し、横軸が経過時間tを示す。この船舶が一定速度で航行している場合には、時間軸tは、同時に、船舶の進行方向に計った長さ(z軸)を示す。この場合、表示画面(A)はy−z断面図に相当する。この表示画面中のa1,a2,a3は、単体又は群状の魚体からの反射波の映像(エコー)であり、a4は海底のエコーである。   The display screen (A) in FIG. 6 is a display screen similar to a general-purpose fish finder screen, in which the vertical axis indicates the depth in the sea (y-axis), and the horizontal axis indicates the elapsed time t. When the ship is traveling at a constant speed, the time axis t indicates the length (z-axis) measured in the traveling direction of the ship at the same time. In this case, the display screen (A) corresponds to a yz sectional view. In the display screen, a1, a2, and a3 are images (echoes) of reflected waves from a single or group of fish, and a4 is an echo of the sea floor.

図6の表示画面(C)は、カーソルによって選択された特定の深度y1におけるx−t(z)断面図である。この表示画面中、c1とc3は選択された深度y1に存在する魚体のエコーであり、表示画面(A)中のエコーa1とa3に対応する。エコーa2は深度y1とは異なる深度に存在するため、表示画面(C)中には表示されていない。このような、図6に例示したような三種類の表示画面(A),(B),(C)を隣接する表示領域に同時に表示したり、一つの表示画面を分割して同時表示したりすることにより、魚群や魚体の位置を表示画面上で三次元的に把握することが可能になる。   The display screen (C) in FIG. 6 is an xt (z) cross-sectional view at a specific depth y1 selected by the cursor. In this display screen, c1 and c3 are echoes of the fish present at the selected depth y1, and correspond to the echoes a1 and a3 in the display screen (A). Since the echo a2 exists at a depth different from the depth y1, it is not displayed on the display screen (C). Such three types of display screens (A), (B), and (C) as illustrated in FIG. 6 are simultaneously displayed in adjacent display areas, or one display screen is divided and simultaneously displayed. By doing so, it is possible to three-dimensionally grasp the positions of fish schools and fish bodies on the display screen.

図2は本発明の他の実施例の超音波探査装置の構成を示すブロック図である。本図中、図1と同一の参照符号を付した構成要素は、図1に関して既に説明した構成要素と同一のものであり、これらについては重複する説明を省略する。   FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic probe according to another embodiment of the present invention. In this figure, the components denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same as the components already described with reference to FIG. 1, and the overlapping description will be omitted.

この実施例の超音波探査装置は、送受信兼用素子として動作する4個の超音波トランスジューサTD1〜TD4を備え、これら4 個のトランスジューサに対応して、各トランスジューサが受けた反射波を処理するために、送信信号素子部BL、増幅部AMP、乗算部M及び低域通過濾波部LPFが4系統ずつ設置されている。更に、この実施例の超音波探査装置は、制御部CNTから受けた指令に従って送信モードを選択する選択部SEL、A/D変換部A/D、ディジタル・プロセッサDP、表示部CRTを備えている。   The ultrasonic probe of this embodiment is provided with four ultrasonic transducers TD1 to TD4 which operate as a transmitting / receiving element. In order to process reflected waves received by each of the transducers corresponding to these four transducers. , A transmission signal element unit BL, an amplification unit AMP, a multiplication unit M, and a low-pass filtering unit LPF. Further, the ultrasonic probe of this embodiment includes a selection unit SEL for selecting a transmission mode in accordance with a command received from the control unit CNT, an A / D conversion unit A / D, a digital processor DP, and a display unit CRT. .

4個の超音波トランスジューサTD1〜TD4は、図7に示すように、x軸方向に沿って所定距離間してTD1とTD2の対が設置されると共に、z軸方向に沿っても所定距離間してTD3とTD4の対が配置されている。   As shown in FIG. 7, the four ultrasonic transducers TD1 to TD4 are provided with a pair of TD1 and TD2 at a predetermined distance along the x-axis direction and at a predetermined distance along the z-axis direction. Then, a pair of TD3 and TD4 is arranged.

再び図2を参照すると、選択部SELは、制御部CNTから指令される送信モードに従って、4個のトランスジューサのうち駆動対象のものだけにトーンバースト信号を供給する。最も多用される送信モードは、4個の超音波トランスジューサTD1〜TD4に同一のトーンバースト信号を供給し、それぞれから放射された超音波ビームを合成して狭い幅の超音波ビームを形成し、これを真下の海中に放射させるという、狭ビーム送信モードである。   Referring to FIG. 2 again, the selector SEL supplies the tone burst signal to only one of the four transducers to be driven in accordance with the transmission mode instructed by the controller CNT. The most frequently used transmission mode is to supply the same tone burst signal to the four ultrasonic transducers TD1 to TD4, combine the ultrasonic beams radiated from each of them to form an ultrasonic beam having a narrow width, Is a narrow beam transmission mode in which is emitted into the sea directly below.

この狭ビーム送信モードで放射された超音波は、海中の魚体などの反射物体で反射され、超音波トランスジューサTD1〜TD4のそれぞれに反射波として受波され、電気信号の反射信号に変換される。各受波系統の反射信号は、送信信号阻止部BL1〜BL4、増幅部AMP1〜AMP4、乗算部M1〜M4、低域通過濾波部LPF1〜LPF4を経てA/D変換部A/Dに入力し、ここでディジタル信号に変換されたのち、ディジタル・プロセッサDPに供給され、各受波系統の反射信号として処理される。   Ultrasonic waves radiated in the narrow beam transmission mode are reflected by a reflecting object such as a fish body in the sea, received by the ultrasonic transducers TD1 to TD4 as reflected waves, and converted into reflected signals of electric signals. The reflected signal of each receiving system is input to the A / D conversion unit A / D via the transmission signal blocking units BL1 to BL4, the amplification units AMP1 to AMP4, the multiplication units M1 to M4, and the low-pass filtering units LPF1 to LPF4. Here, after being converted into a digital signal, it is supplied to a digital processor DP and processed as a reflected signal of each receiving system.

ディジタル・プロセッサDPは、トランスジューサTD1とTD2のそれぞれの反射信号の位相差から反射物体のx−y断面内の方向の方位を算定し、トランスジューサTD3とTD4のそれぞれの反射信号の位相差から反射物体のy−z断面内の方位を算定する。また、4個のトランスジューサの反射信号を加算することより合成反射信号が作成され、A信号として使用される。また、合成反射信号がトーンバースト信号の送信時点からどのぐらい遅れて出現したかによって反射物体までの距離が算定される。このようにして算定された反射物体の方位角と距離とから三次元的な位置が検出される。   The digital processor DP calculates the azimuth of the direction in the xy section of the reflecting object from the phase difference between the respective reflected signals of the transducers TD1 and TD2, and calculates the reflecting object from the phase difference between the respective reflected signals of the transducers TD3 and TD4. Is calculated in the yz section. Also, a combined reflected signal is created by adding the reflected signals of the four transducers and used as the A signal. Further, the distance to the reflecting object is calculated based on how delayed the synthesized reflection signal appears from the transmission time of the tone burst signal. A three-dimensional position is detected from the azimuth and the distance of the reflecting object calculated in this way.

図8は、上記図2と図7を参照しながら説明した実施例の超音波探査装置を用いて行う三次元的位置検出の様子を説明するための図である。この例では、船体の直下の三次元空間内の魚群の位置を検出するための画面表示が行われる。この例では、船を停止させた状態でも三次元表示が可能である。図8の(A)は、yーz面に投影された船体直下の魚群の存在の様子を示す表示画面であり、この図中のa1,a2は魚群や単体魚のエコー、a3は海底のエコーである。   FIG. 8 is a diagram for explaining a state of three-dimensional position detection performed using the ultrasonic search device of the embodiment described with reference to FIGS. 2 and 7. In this example, a screen display for detecting the position of the fish school in the three-dimensional space immediately below the hull is performed. In this example, three-dimensional display is possible even when the ship is stopped. FIG. 8A is a display screen showing the presence of a school of fish directly below the hull projected on the yz plane, wherein a1 and a2 are echoes of a school of fish and a single fish, and a3 is an echo of the sea floor. It is.

図8の(B)は、x−y面に投影された船体直下の魚群の存在の様子を示す表示画面であり、船体の両舷側方向(x軸方向)の魚群の存在を示している。b1,b2が魚群や単体魚のエコー、b3が海底のエコーである。図8の(C)は、カーソルにより選択された特定の深度y1における、x−z断面内の魚群の表示画面である。表示画面(C)中のc1は、選択された深度y1に存在する魚群のエコーである。このエコーは、表示画面(A)ではエコーa1として、表示画面(B)においてはエコーb1として出現したものである。   FIG. 8B is a display screen showing the state of the school of fish immediately below the hull projected on the xy plane, and shows the presence of the school of fish in both directions (x-axis direction) of the hull. b1 and b2 are echoes of a school of fish or a single fish, and b3 is an echo of the sea floor. FIG. 8C is a display screen of a school of fish in the xz section at a specific depth y1 selected by the cursor. C1 in the display screen (C) is an echo of a school of fish existing at the selected depth y1. This echo appears as an echo a1 on the display screen (A) and as an echo b1 on the display screen (B).

なお、表示画面(A)中にエコーa2として、また表示画面(B)中にエコーb2として出現した魚群のエコーは、異なる深さの表示画面(C)には出現しない。このように、三種類の断面図を同一表示装置に隣接させて、あるいは同一の表示画面を分割して同時に表示することにより、海中の魚群の位置を表示画面上から検出することが可能になる。   The echoes of the school of fish that appear as the echo a2 in the display screen (A) and as the echo b2 in the display screen (B) do not appear on the display screen (C) having different depths. In this way, by displaying three types of cross-sectional views adjacent to the same display device or dividing the same display screen and displaying the same at the same time, it is possible to detect the position of the fish school in the sea from the display screen. .

上述したように、受信した反射信号どうしの位相差から反射物体の方位角を検出する探査装置は、魚群などの物体からの反射信号どうしの位相差が±πをこえると、方位の確定が不能になる。この点を考慮して、図5に示したように、送信ビームの幅はあまり広くならないように設定される。また、受信の指向性を送信の指向性と同程度に設定するとビームの周辺部分では受信レベルが急激に低下し、SNが劣化する。このSNの劣化をさけるために、受信の指向性が送信の指向性よりも大きく設定される。   As described above, an exploration device that detects the azimuth of a reflecting object from the phase difference between received reflected signals cannot determine the azimuth if the phase difference between reflected signals from objects such as fish schools exceeds ± π. become. In consideration of this point, as shown in FIG. 5, the width of the transmission beam is set so as not to be too large. Further, when the directivity of reception is set to be substantially the same as the directivity of transmission, the reception level sharply decreases in the peripheral portion of the beam, and the SN deteriorates. In order to avoid the deterioration of the SN, the directivity of reception is set to be larger than the directivity of transmission.

上記、送信の指向性を受信の指向性よりも広くするために、送受信兼用のトランスジューサを設置しておき、送信時には並列接続して同時に動作させ、受信時には個別に動作させる方法が好適である。このような送受信兼用のトランスジューサの形状と配置の好例をいくつか図9に図示する。(A)と(B)は半円形状や4分の1円形状への分割の例を示し(C)と(D)は三角形状への分割の例を示している。   In order to make the directivity of transmission wider than the directivity of reception, it is preferable that a transmitter / receiver transducer be installed, connected in parallel at the time of transmission and operated simultaneously, and operated individually at the time of reception. Some preferred examples of the shape and arrangement of such a dual-purpose transducer are shown in FIG. (A) and (B) show examples of division into a semicircular shape and a quarter circle shape, and (C) and (D) show examples of division into triangular shapes.

一般に、送受信素子が占める空間の幅が広がるにつれてビームが鋭くなり、探査装置としての視野が狭くなる。そこで、図10に例示するように、トランスジューサの幅が順次2倍になるように複数の部分に分割することにより、少ない素子数のもとで視野が広範囲にわたって変化させることができる。   Generally, as the width of the space occupied by the transmitting and receiving elements increases, the beam becomes sharper, and the field of view as a search device becomes narrower. Therefore, as illustrated in FIG. 10, by dividing the transducer into a plurality of portions so that the width of the transducer is successively doubled, the field of view can be changed over a wide range with a small number of elements.

すなわち、(A)場合、最小のトランスジューサTD1とTD2とを並列接続して同時に送信し、TD1とTD2とを個別に使用して受信することにより、最大の視野(最小の口径)のもとで動作させることができる。次に、3個のトランスジューサTD1,TD2,TD3を並列接続して送信を行い、TD1,TD2を並列接続したものと、TD3とを個別に使用して受信を行うことにより、2番目に大きな視野(2番目に大きな口径)のもとで動作させることができる。   That is, in the case (A), the smallest transducers TD1 and TD2 are connected in parallel and transmitted at the same time, and TD1 and TD2 are used separately and received, so that a maximum field of view (smallest aperture) is obtained. Can work. Next, the three transducers TD1, TD2, and TD3 are connected in parallel to perform transmission, and TD1 and TD2 are connected in parallel, and TD3 is used individually for reception. (The second largest diameter).

最後に、4個のトランスジューサTD1、TD2,TD3,TD4を並列接続して送信を行い、TD1,TD2,TD3を並列接続したものと、TD4とを個別に使用して受信を行うことにより、最小の視野(最大の口径)のもとで動作させることができる。図10(B)の場合についても同様である。   Lastly, the transmission is performed by connecting the four transducers TD1, TD2, TD3, and TD4 in parallel, and the reception is performed using the TD1, TD2, and TD3 connected in parallel and TD4 individually to perform reception. In the field of view (maximum aperture). The same applies to the case of FIG.

以上、船体の真下に超音波を放射する構成を例示した。しかしながら、鉛直方向から適宜な角度ずらして超音波を放射し、この放射方向を基準とする反射物体の方位を検出する場合にも本発明の超音波探査装置を適用してもよい。   As described above, the configuration in which the ultrasonic wave is radiated directly below the hull has been exemplified. However, the ultrasonic probe according to the present invention may also be applied to a case where ultrasonic waves are emitted at an appropriate angle shifted from the vertical direction and the direction of the reflecting object based on the emitted direction is detected.

また、船舶に搭載して海中の魚群などの物体を探査する場合に例にとって本発明を説明した。しかしながら、本発明の超音波探査装置は、地上の適宜な高さに設置して不審人物などの反射物体を探査する遠隔制御の監視用装置などとしても利用できる。   In addition, the present invention has been described by way of example in the case of exploring an object such as a school of fish in the sea mounted on a ship. However, the ultrasonic search device of the present invention can be used as a remote control monitoring device that is installed at an appropriate height on the ground and searches for a reflective object such as a suspicious person.

また、本発明の一実施例によれば、船舶の船首方向に直交する面内の映像を表示したり、この船舶の船首方向に直交する方向と経過時間とを二つの次元とする平面内に反射物体の映像を表示したり、この船舶の船首方向を含む面内とこの船首方向に直交する面内のそれぞれに反射物体の映像を表示したり、さらには、この船舶の船首方向とこの船首方向に直交する方向を二つの次元とする一定の深度の水平面内に反射物体の映像を表示するように構成されているので、表示画面から魚群などの反射物体の三次元的な位置を容易に把握できるという効果が奏される。   According to an embodiment of the present invention, an image in a plane orthogonal to the bow direction of the ship is displayed, or the elapsed time and the direction orthogonal to the bow direction of the ship are in two planes. Display the image of the reflective object, display the image of the reflective object in a plane including the bow direction of this ship and in a plane orthogonal to the bow direction, and further, display the bow direction of the ship and the bow direction. Since it is configured to display the image of the reflecting object in a horizontal plane at a certain depth with the direction orthogonal to the direction as two dimensions, it is easy to determine the three-dimensional position of the reflecting object such as a school of fish from the display screen. The effect of being able to grasp is produced.

更に、本発明の超音波探査装置の更に好適な実施例によれば、表示部が異なる面内の反射物体の映像を、同一の表示画面を分割して同時に、あるいは、隣接する複数の表示画面上に同時に表示するように構成されているので、魚群などの反射物体の三次元的な位置を表示画面だけから容易かつ正確に把握できるという利点がある。   Furthermore, according to a further preferred embodiment of the ultrasonic search device of the present invention, the display unit displays the image of the reflecting object in a different plane at the same time by dividing the same display screen, or a plurality of adjacent display screens. Since it is configured to be displayed simultaneously on the upper side, there is an advantage that the three-dimensional position of a reflecting object such as a school of fish can be easily and accurately grasped only from the display screen.

本発明の一実施例の超音波探査装置の機能上の構成を示す機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram illustrating a functional configuration of the ultrasonic search device according to one embodiment of the present invention. 本発明の他の実施例の超音波探査装置の機能上の構成を示す機能ブロック図である。FIG. 11 is a functional block diagram illustrating a functional configuration of an ultrasonic search device according to another embodiment of the present invention. 本発明の原理を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for explaining the principle of the present invention. 図1の実施例の超音波探査装置の受信素子(超音波トランスジューサ)の開口形状を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing an opening shape of a receiving element (ultrasonic transducer) of the ultrasonic probe of the embodiment in FIG. 1. 図1の実施例の超音波探査装置の送受信兼用の超音波トランスジューサによる送信の指向性と受信の指向性の関係を例示する概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating the relationship between the directivity of transmission and the directivity of reception by an ultrasonic transducer for both transmission and reception of the ultrasonic probe of the embodiment in FIG. 1. 図1に示した実施例の超音波探査装置による表示画面の一例であり、y−z断面図に相当する表示画面(A)、x−y断面図に相当する表示画面(B)、特定の深度におけるx−t(z)断面図に相当する表示画面(C)から成る。FIG. 3 is an example of a display screen of the ultrasonic survey device of the embodiment shown in FIG. 1, a display screen (A) corresponding to a yz cross-sectional view, a display screen (B) corresponding to an xy cross-sectional view, and a specific screen. It consists of a display screen (C) corresponding to an xt (z) sectional view at the depth. 図2に示した実施例の超音波探査装置の送受信兼用の素子(超音波トランスジューサ)の形状と配置を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing the shape and arrangement of an element (ultrasonic transducer) for both transmission and reception of the ultrasonic probe of the embodiment shown in FIG. 2. 図2に示した実施例の超音波探査装置による表示画面の一例であり、y−z断面図に相当する表示画面(A)、x−y断面図に相当する表示画面(B)、特定の深度におけるx−t(z)断面図に相当する表示画面(C)から成る。FIG. 4 is an example of a display screen of the ultrasonic probe of the embodiment shown in FIG. 2, a display screen (A) corresponding to a yz sectional view, a display screen (B) corresponding to an xy sectional view, and a specific screen. It consists of a display screen (C) corresponding to an xt (z) sectional view at the depth. 本発明の他の実施例の超音波探査装置に使用可能な超音波トランスジューサの形状と配列の例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of the shape and arrangement | sequence of the ultrasonic transducer which can be used for the ultrasonic probe of the other Example of this invention. 本発明の更に他の実施例の超音波探査装置に使用可能な超音波トランスジューサの形状と配列の例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of the shape and arrangement | sequence of the ultrasonic transducer which can be used for the ultrasonic probe of the further another Example of this invention.

符号の説明Explanation of reference numerals

CNT 制御部
TX 送信部
TD1-TD4 送受信素子 (超音波トランスジューサ)
BL1-BL4 送信信号阻止部
AMP1-AMP4 増幅部
M1-M4 キャリア乗算部
LPF1-LPF4 低域通過濾波部
CNG キャリア発生部
ARG 位相角算定部
ADD 信号加算部
ABS 絶対値算定部
DP ディジタル・プロセッサ
DIS 表示部
CNT controller
TX transmitter
TD1-TD4 transmission / reception element (ultrasonic transducer)
BL1-BL4 transmission signal blocker
AMP1-AMP4 amplifier
M1-M4 Carrier multiplier
LPF1-LPF4 Low-pass filter
CNG carrier generator
ARG phase angle calculator
ADD signal adder
ABS absolute value calculator
DP digital processor
DIS display

Claims (17)

送信素子を有し、超音波を送信する送信部と、
前記送信された超音波の物体からの反射波を受信する複数の受信素子を有し、複数の受信信号を得る受信部と、
前記複数の受信素子の形状及び配置によって定まる方位関数とこれら複数の受信素子の受信信号の位相差とから前記物体の方位を検出する方位検出部と、
この検出された方位及び信号の伝播所要時間とから前記物体の位置を検出して表示する表示部と
を備えたことを特徴とする超音波探査装置。
A transmission unit having a transmission element and transmitting an ultrasonic wave,
A receiving unit that has a plurality of receiving elements that receive reflected waves of the transmitted ultrasonic wave from the object, and obtains a plurality of received signals,
An azimuth detection unit that detects the azimuth of the object from an azimuth function determined by the shape and arrangement of the plurality of receiving elements and a phase difference between reception signals of the plurality of receiving elements,
A display unit for detecting and displaying the position of the object from the detected azimuth and the time required for signal propagation.
請求項1において、
前記送信素子の指向性は、前記複数の受信素子のそれぞれの指向性よりも狭く設定されたことを特徴とする超音波探査装置。
In claim 1,
The directivity of the transmitting element is set narrower than the directivity of each of the plurality of receiving elements.
請求項2において、
前記送信素子の口径は、前記複数の受信素子のそれぞれの口径よりも大きな値に設定されたことを特徴とする超音波探査装置。
In claim 2,
The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the aperture of the transmitting element is set to a value larger than the aperture of each of the plurality of receiving elements.
請求項3において、
前記送信素子は、前記複数の受信素子を並列接続することにより構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
In claim 3,
An ultrasonic probe, wherein the transmitting element is configured by connecting the plurality of receiving elements in parallel.
請求項1において、
前記方位検出部は、前記複数の受信素子の受信信号の位相差を検出する際に、受信信号のそれぞれに共通の参照信号を乗算したのち高域成分を除去することにより受信信号の位相角を含む位相角信号を発生させる処理を行うことを特徴とする超音波探査装置。
In claim 1,
The azimuth detecting unit, when detecting the phase difference between the received signals of the plurality of receiving elements, by multiplying each of the received signals by a common reference signal and then removing the high-frequency component to determine the phase angle of the received signal. An ultrasonic exploration apparatus that performs a process of generating a phase angle signal including the phase angle signal.
請求項5において、
前記方向検出部は、前記複数の位相角信号の複素共役積を算定し、その偏角を複数の受信信号の位相差として検出する処理を行うことを特徴とする超音波探査装置。
In claim 5,
The ultrasonic detection apparatus according to claim 1, wherein the direction detection unit performs a process of calculating a complex conjugate product of the plurality of phase angle signals and detecting the argument as a phase difference between the plurality of received signals.
請求項1において、
前記表示部は、前記複数の受信信号又は前記複数の位相角信号を合成することによりAモード信号を作成し表示する手段を備えたことを特徴とする超音波探査装置。
In claim 1,
The ultrasonic search apparatus according to claim 1, wherein the display unit includes a unit that generates and displays an A-mode signal by combining the plurality of reception signals or the plurality of phase angle signals.
請求項1乃至7のそれぞれにおいて、
前記複数の受信素子は三角形、半円形又は4分の1円形の形状を有することを特徴とする超音波探査装置。
In each of claims 1 to 7,
An ultrasonic probe, wherein the plurality of receiving elements have a triangular, semicircular, or quarter circular shape.
請求項1乃至7のそれぞれにおいて、
前記複数の受信素子は、順次2倍の幅が与えられる四角形から成ることを特徴とする超音波探査装置。
In each of claims 1 to 7,
The ultrasonic exploration apparatus according to claim 2, wherein the plurality of receiving elements are formed in a quadrangular shape having a width twice as large.
請求項1乃至8のそれぞれにおいて、
前記複数の受信素子は2個の受信素子から成ることを特徴とする超音波探査装置。
In each of claims 1 to 8,
The ultrasonic exploration apparatus according to claim 2, wherein the plurality of receiving elements include two receiving elements.
請求項1乃至8のそれぞれにおいて、
前記複数の受信素子は、直交二次元方向に配列された4個の受信素子から成ることを特徴とする超音波探査装置。
In each of claims 1 to 8,
The ultrasonic exploration apparatus according to claim 2, wherein the plurality of receiving elements include four receiving elements arranged in an orthogonal two-dimensional direction.
請求項1乃至11のそれぞれにおいて、
船舶に搭載されると共に、前記送信部は前記超音波をほぼ鉛直下方の水中に送信するように構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
In each of claims 1 to 11,
An ultrasonic surveying device mounted on a ship, wherein the transmitting unit is configured to transmit the ultrasonic waves into water substantially vertically below.
請求項12において、
前記表示部はこの船舶の船首方向に直交する面内の映像を表示するように構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
In claim 12,
The ultrasonic search device according to claim 1, wherein the display unit is configured to display an image in a plane orthogonal to a bow direction of the ship.
請求項12において、
前記表示部はこの船舶の船首方向に直交する方向と経過時間とを二つの次元とする平面内に反射物体の映像を表示するように構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
In claim 12,
The ultrasonic search apparatus according to claim 1, wherein the display unit is configured to display an image of the reflecting object in a plane having a direction orthogonal to a bow direction of the ship and an elapsed time in two dimensions.
請求項12において、
前記表示部は、この船舶の船首方向を含む面内と、この船首方向に直交する面内のそれぞれに反射物体の映像を表示するように構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
In claim 12,
The ultrasonic search device, wherein the display unit is configured to display an image of the reflecting object on a plane including the bow direction of the ship and on a plane orthogonal to the bow direction.
請求項12において、
前記表示部は、この船舶の船首方向とこの船首方向に直交する方向を二つの次元とする一定の深度の水平面内に反射物体の映像を表示するように構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
In claim 12,
The display unit is configured to display an image of a reflecting object in a horizontal plane at a constant depth having a bow direction of the ship and a direction orthogonal to the bow direction as two dimensions. Exploration equipment.
請求項13乃至16のそれぞれにおいて、
前記表示部は、前記異なる面内の反射物体の映像を同一の表示画面を分割して同時に、又は隣接する複数の表示画面上に同時に表示するように構成されたことを特徴とする超音波探査装置。
In each of claims 13 to 16,
The ultrasonic search, wherein the display unit is configured to divide the same display screen into images of the reflecting object in the different planes and display them simultaneously or on a plurality of adjacent display screens at the same time. apparatus.
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